Ученые Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО работают над получением альтернативного источника терагерцового излучения на основе жидкостей



Ученые Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО работают над получением альтернативного источника терагерцового излучения на основе жидкостей

Полярные жидкости и, в частности, вода, являются сильными поглотителями электромагнитных волн в терагерцовом диапазоне. Поэтому долгое время они не рассматривалась в качестве хороших кандидатов в терагерцовые источники. Однако в прошлом году ученые Университета ИТМО в сотрудничестве с исследователями из Университета Рочестера описали физическую природу этого явления и показали, что жидкостные источники излучения могут быть не менее эффективны, чем традиционные. В новой работе сотрудники лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО исследовали генерацию терагерцового излучения в струях различных жидкостей. В перспективе эти результаты могут быть применены для создания нового альтернативного источника терагерцового излучения. Исследование опубликовано в журнале Optics Express.

Терагерцовые технологии: спектроскопия, безопасность, биомедицина и неразрушающая диагностика.

Терагерцовое излучение — вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным диапазоном и радиодиапазоном. Оно хорошо проходит через множество материалов. Например, дерево, пластик, керамика для него являются прозрачными.

Эти особенности открывают широкий спектр для практического применения терагерцовых источников. Например, ТГц излучение может использоваться в системах безопасности для сканирования багажа — с его помощью можно обнаружить спрятанные под одеждой металлические, пластиковые и другие предметы.

Кроме того, в отличие от рентгеновского излучения, терагерцовое безопасно для организма человека. Поэтому большую сферу применения «терагерцы» могут найти, прежде всего, в медицине, а также в биомедицинских исследованиях. Например, методы ТГц-спектроскопии и визуализации широко применяются в ТГц-биофотонике. Такие разработки позволяют визуализировать компоненты тканей: клетки, микрофибриллы и даже клеточные органеллы (подробнее о методах диагностики и визуализации на основе излучения терагерцового диапазона можно почитать в интервью Ольги Смолянской, руководителя лаборатории Фемтомедицины Международного института Фотоники и оптоинформатики).

Источники терагерцового излучения.

Благодаря широкой сфере применения большинство современных научных работ в области терагерцового излучения направлено на поиск новых, более стабильных, мощных и эффективных источников.

Сейчас эталоном и самыми распространенными источниками терагерцового излучения служат твердотельные материалы. Хотя существуют также источники на основе лазерной фемтосекундной филаментации в воздухе и газах. Мощный лазерный пучок создает в газовой среде плазму, где происходит ионизация среды, ведущая к генерации электромагнитного терагерцового излучения.


Визуализация модели возможной физики генерации терагерцового излучения. Лазерное возбуждение среды приводит к её ионизации, разделению носителей тока и наведению диполя, являющегося источником терагерцовых волн.


Раньше считалось, что сделать то же самое в жидкой среде нельзя. Полярные жидкости (прежде всего вода) являются сильными поглотителями электромагнитных волн в терагерцовом диапазоне, поэтому исторически такие жидкости не рассматривались в качестве хороших кандидатов в терагерцовые источники.

Совместное исследование ученых Университета ИТМО и исследователей из Университета Рочестера.

В 2018 году международная группа исследователей из Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО и Института Оптики Университета Рочестера показала, что жидкостные источники излучения могут быть не менее эффективны, чем традиционные, а также предложила аналитическую модель, описывающую природу этого явления. Кроме того, исследователи показали, что жидкость обладает и рядом преимуществ перед другими источниками, например, газами.

Также в этой работе ученые исследовали, как направлено терагерцовое излучение, получаемое в жидкости. В результате они составили и физически обосновали диаграммы направленности терагерцового излучения в жидкости, а также зависимость направления от угла, под которым излучение накачки падает на жидкую струю.

Какие преимущества имеют жидкости по сравнению с газами и твердотельными источниками.

Принято считать, что при филаментации лазерного излучения в газовой среде, эффективность генерации терагерцового излучения определяется плотностью свободных электронов. Количество свободных электронов одной молекулы зависит от энергии ионизации: энергии, необходимой для отрыва электрона с внешней орбиты. Плотность молекул в жидкости гораздо выше, чем в газе, за счет чего сопоставимая энергия накачки позволяет сгенерировать гораздо больше электронов, что приводит к усилению терагерцового излучения. Разница необходимых энергий ионизации накачки в газе и жидкости невелика. Но при этом плотность молекул в жидкости гораздо выше, чем в газе. За счет этого сопоставимая энергия накачки позволяет возбудить гораздо больше электронов и сделать излучение сильней.


Терагерцовый лазер


По сравнению с твердотельными источниками жидкости имеют ряд преимуществ. Во-первых, они выдерживают большую энергию накачки, что позволяет получить более высокую энергию на выходе. Помимо этого, они более доступны и дешевы.

Что показало новое исследование

Главной задачей ученых остается работа над тем, чтобы решить проблему большого поглощения. Для решения этой задачи в новом исследовании физики из лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий проводили эксперименты с целью определить оптимальные типы жидкости, толщину струи, мощность излучения накачки, а также ряд других параметров.

В статье, опубликованной в журнале Optics Express, ученые исследовали эффективность генерации терагерцового излучения в струях жидкости при одноцветной накачке. В работе использовались несколько видов жидкости: вода, этанол, тяжелая вода и ацетон. Такой набор обусловлен тем, что интересующие исследователей параметры у этих жидкостей различаются.

«В этой работе мы предлагаем комплексный подход: в исследовании есть как экспериментальная часть, так и теоретическая апробация. Мы провели исследование различных жидкостей, а также многих параметров, как лазерного излучения накачки, так и самой среды генерации, — комментирует Евгения Пономарёва, соавтор статьи, студентка 4-го курса факультета Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО, сотрудник лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий. — В частности, мы проанализировали жидкости с разными параметрами энергии ионизации, плотности, поглощения в терагерцовом диапазоне. По итогам исследования было выявлено, что учет всех параметров важен для повышения эффективности генерации. Эксперимент также подтвердил, что в сравнении с водой ацетон дает большую эффективность на выходе. Даже при первом приближении такой анализ позволяет оценить потенциал использования определенной жидкости для этих целей».


Евгения Пономарёва

Кроме того, исследователи продемонстрировали в работе, как параметры среды, в числе которых молекулярная плотность, энергия ионизации и линейное поглощение, влияют на эффективность генерации терагерцового излучения в жидкости. Экспериментальные измерения показали, что зависимость энергии терагерцового излучения от энергии импульса накачки имеет квазиквадратичный характер. На практике это показывает более резкий рост терагерцового выхода с увеличением накачки, объясняет Евгения Пономарёва. В дальнейшем ученые намерены продолжить исследования и теоретически обосновать этот аспект.

Также в работе была теоретически предсказана и экспериментально подтверждена оптимальная длительность импульса накачки, зависящая от толщины струи. Полученная эффективность преобразования энергии оптического излучения в терагерцовую сопоставима с величинами, достигаемыми при лазерной филаментации в газовых средах.

Перспективы

В перспективе эти результаты могут быть успешно применены для создания нового альтернативного источника терагерцового излучения. В дальнейших работах исследователи планируют исследовать большой набор различных жидкостей — как полярных, так и неполярных. Закупка необходимых материалов уже идет. В итоге учёные намерены составить целую базу жидкостей, благодаря которой будет понятно, какие из них имеют потенциал для дальнейшего использования.

Кроме того, в ближайшее время ученые продолжат экспериментально исследовать генерацию терагерцового излучения в различных жидкостях, в том числе в условиях двойной накачки, а также исследовать различные параметры лазерного излучения и продолжать разрабатывать теоретические модели.

В начале  2019 года научная группа лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий выиграла грант Российского научного фонда (РНФ), рассчитанный на три года. К этому времени авторы проекта планируют собрать установку, которая должна показать хорошую эффективность преобразования оптического излучения в терагерцовое, сравнимую с двухцветной филаментацией в газах. Это исследование продолжится и после завершения трехлетнего срока, так как учёные видят значительные перспективы в развитии этого направления.

«Жидкость — это универсальный и экономичный источник. У нее нет порога разрушения, как, например, в кристалле, поэтому в будущем это может стать повсеместным источником использования терагерцового излучения, — комментирует Евгения Пономарёва. — Сейчас нам важно понимать, как мы можем менять параметры самого лазерного излучения. Мы также ведем работу по изменению длины волны. Есть теоретические предположения о том, что, если мы будем сдвигаться в инфракрасную область, то эффективность преобразования оптического излучения в терагерцовое будет в разы больше. Поэтому наш проект направлен не только на изучение самих жидкостей и их свойств. Цель проекта в том, чтобы всесторонне изучить физику процессов и определить оптимальные параметры источника терагерцового излучения на основе жидкости, обеспечивающие повышения его эффективности».